Η θερμοδυναμική έννοια της αρνητικής εντροπίας

Φανταστείτε ότι ψύχετε έναν υπερυπολογιστή όχι με ανεμιστήρες ή ψύκτες, αλλά διαγράφοντας κάποια στοιχεία από τη μνήμη του. Νέοι υπολογισμοί δείχνουν ότι αυτό είναι δυνατό, υπό την προϋπόθεση πως μερικά από τα bits που συνθέτουν τη μνήμη του υπολογιστή είναι "πεπλεγμένα" – μια απόκοσμη ιδιότητα που μπορεί να συνδέσει δύο κβαντικά συστήματα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μέσα στο χώρο.

Η διαγραφή πεπλεγμένης (entangled) μνήμης για την ψύξη του υπολογιστή

Η έννοια της ψύξης μέσω της διαγραφής παραβιάζει φαινομενικά μια αρχή που ειπώθηκε από το φυσικό Rolf Landauer το 1961. Έδειξε ότι η διαγραφή της πληροφορίας μπορεί να παρομοιαστεί με μια μείωση της εντροπίας ή της αταξίας. Καθώς η συνολική εντροπία πρέπει πάντα να αυξάνεται, η διαγραφή των bits πρέπει να συνοδεύεται από αύξηση της εντροπίας του περιβάλλοντος χώρου, η οποία εκδηλώνεται ως θερμότητα.

Η θερμότητα που παράγεται από έναν υπολογιστή σήμερα, οφείλεται κυρίως σε φαινόμενα αναποτελεσματικής επεξεργασίας, και ενώ αυτές μπορούν να μειωθούν, η άποψη του Landauer υπονοεί ένα θεμελιώδη όριο για το πόσο μπορεί να μειωθεί η θερμότητα που παράγεται από τον υπολογιστή.

Τώρα όμως ο Lídia del Rio από το Ελβετικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης και οι συνεργάτες του έχουν δείξει ότι η κβαντική διεμπλοκή μας προσφέρει έναν τρόπο να ξεφύγουμε από το νόμο του Landauer.

Μείωση της εντροπίας

Για να καταλάβουμε πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει αυτός ο τρόπος, σκεφτείτε δύο άτομα που ο καθένας προσπαθεί να διαγράψει μια σειρά από bits στη μνήμη του υπολογιστή, η οποία μπορεί να βρίσκεται με τη μορφή του 1 ή του 0. Ο πρώτος από αυτούς τους δύο που δεν έχει καμία γνώση των αποθηκευμένων bits, ώστε να εξασφαλιστεί ότι αυτά θα διαγραφούν, αναγκάζεται έτσι να κάνει reset επαναφέροντας τα πάντα στο «0», ανεξάρτητα από το αρχικό περιεχόμενο τους. Το δεύτερο άτομο, όμως, γνωρίζει το περιεχόμενο των bytes και έτσι επαναφέρει μόνο αυτά τα bits που είναι 1.

Στην περίπτωση αυτή, το πρώτο άτομο έχει να κάνει περισσότερη δουλειά κατά μέσο όρο για να διαγράψει τα bytes από bits από το δεύτερο άτομο. Ως αποτέλεσμα, η “εξαρτώμενη εντροπία" της μνήμης θα είναι χαμηλότερη για το πρώτο άτομο από το δεύτερο.

Τώρα φανταστείτε ότι τα bits της μνήμης για να διαγραφούν είναι πεπλεγμένα με άλλα αντικείμενα. Σε ένα τέτοιο σύστημα, η παρατήρηση ή ο προσδιορισμός της κατάστασης του ενός αντικειμένου του πεπλεγμένου ζεύγους, αμέσως αλλάζει την κατάσταση και του άλλου αντικειμένου. Έτσι ένας παρατηρητής που έχει πρόσβαση στα πεπλεγμένα αντικείμενα θα μπορούσε να ξέρει ακόμη περισσότερα για τη μνήμη από ό,τι θα ήταν δυνατόν με άλλο τρόπο, αναγκάζοντας έτσι την εξαρτώμενη εντροπία του συστήματος να μειωθεί και να γίνει αρνητική όταν η μνήμη έχει διαγραφεί.

Ο Del Rio και οι συνεργάτες του έχουν δείξει μαθηματικά ότι αυτή η αρνητική εξαρτώμενη εντροπία είναι ισοδύναμα με την άντληση θερμότητας από τον περιβάλλοντα χώρο, ή αλλιώς η ψύξη.

Η ομάδα σχεδιάζει τους μελλοντικούς υπολογιστές που περιέχουν πεπλεγμένα συστήματα αυτού του είδους. Η διαγραφή κάποιας από τη μνήμη ενός υπολογιστή θα πρέπει να οδηγήσει στην ψύξη.

Η διαγραφή αυτή δεν παραβιάζει τους νόμους της θερμοδυναμικής: εξακολουθεί να υπάρχει μια συνολική αύξηση της εντροπίας, επειδή η ενέργεια είναι απαραίτητη για τη δημιουργία αρχικά του πεπλεγμένου συστήματος.

Προς το παρόν, οι πεπλεγμένες καταστάσεις δεν είναι εύκολο να δουλέψουν με αυτό τον τρόπο: απαιτούν απόλυτη ψύξη και θέλουν εμφανώς προσοχή. Αλλά, ο Robert Prevedel του Πανεπιστημίου του Waterloo στον Καναδά, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, είναι εντυπωσιασμένος από την ιδέα. ¨”Αυτό αποδεικνύει ότι τα παράξενα χαρακτηριστικά του κβαντικού κόσμου δεν είναι μόνο χρήσιμα ως πληροφοριακοί πόροι, αλλά μπορούν στην πράξη να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν κάποια πραγματική, φυσική εργασία," υποστηρίζει.